DE2811411C2

DE2811411C2 -

Info

Publication number: DE2811411C2
Application number: DE2811411A
Authority: DE
Inventors: Karl Prof. Dr. 6236 Eschborn De Guers; Joerg Dr. 6237 Liederbach De Boscher
Original assignee: Tzn Forschungs- und Entwicklungszentrum Unterluess 3104 Unterluess De GmbH
Current assignee: TZN FORSCHUNGS- und ENTWICKLUNGSZENTRUM UNTERLUESS
Priority date: 1978-03-16
Filing date: 1978-03-16
Publication date: 1989-05-03
Also published as: US4264141A; CA1131954A; ZA791264B; DE2811411A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, wie sie im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definiert ist.The invention relates to an arrangement as in the preamble of claim 1 is defined in more detail.

Für zahlreiche Anwendungen, z. B. bei Spektroskopie, Photochemie, Isotopentrennung, benötigt man Strahlung einer definierten Wellenlänge. Diese kann in bestimmten Spektralbereichen bereitgestellt werden, weil dort abstimmbare Laser zur Verfügung stehen, z. B. Farbstofflaser. In einigen Fällen kann die Abstimmung durch Anwendung nichtlinear-optischer Effekte erfolgen, z. B. durch induzierte Raman-Streuung und parametrische Oszillatoren. In anderen Bereichen existiert keine derartige Abstimmöglichkeit, oder der Abstimmbereich ist zu klein.For numerous applications, e.g. B. in spectroscopy, Photochemistry, isotope separation, radiation is required a defined wavelength. This can be in certain Spectral ranges are provided because there tunable Lasers are available, e.g. B. dye laser. In some cases, voting can be done through application nonlinear optical effects occur, for. B. by induced Raman scattering and parametric Oscillators. There is no other area such voting option, or the voting area is too small.

Es ist bekannt, daß durch Reflexion bereits an einem einzelnen bewegten Spiegel eine Frequenzverschiebung auftritt, sofern der Spiegel nicht lediglich entlang seiner Oberfläche parallel verschoben wird. Jede andere gleichförmige Bewegung führt jedoch auch zu einer Änderung der Richtung des Strahls, oder der Strahl wird parallel versetzt. It is known that reflection on one individual moving mirrors a frequency shift occurs unless the mirror is just along its surface is shifted in parallel. Any other uniform movement also leads to a Change the direction of the beam, or the beam will offset in parallel.

Ferner ist eine gattungsgemäße Anordnung zur Ausnutzung des Doppler-Effekts bekannt, bei der der Laserstrahl über ein System aus zwei bzw. drei Spiegeln in einen definierten Resonator eingekoppelt und nach einer bestimmten Anzahl von Reflexionen mit einem ähnlichen Spiegelsystem wieder aus dem Resonator ausgekoppelt wird. Der Resonator besteht aus einem auf dem Umfang eines sich drehenden Kreiszylinders angeordneten Planspiegel und einem spiraligen Zylinder, der als Abwickelfläche des Zylinders konstruiert ist (Manuccia, T. J. "CW IR Laser . . ." Lasers in Chemistry, Elsevier Sci. Pub. Co., 1977, S. 210-215). Von Manuccia wird vorgeschlagen, diese Anordnung für die sehr wichtige Anwendung zur Abstimmung der Wellenlänge verfügbarer Laser auf die günstigste Absorptionsfrequenz bei der Isotopentrennung mit Laser einzusetzen.There is also a generic arrangement for utilizing the Doppler effect known in which the laser beam over a system of two or three mirrors coupled into a defined resonator and after a certain number of reflections a similar mirror system is coupled out of the resonator becomes. The resonator consists of one on the Scope of a rotating circular cylinder arranged Plane mirror and a spiral cylinder, which acts as an unwinding surface of the cylinder is constructed (Manuccia, T. J. "CW IR Laser ..." Lasers in Chemistry, Elsevier Sci. Pub. Co., 1977, pp. 210-215). Manuccia suggests this Arrangement for the very important application for tuning the Wavelength of available lasers to the cheapest absorption frequency used for laser isotope separation.

Dabei wird mit einem Hub in der Spirale von π · 20 cm, einer Frequenz von 60 000 Umdrehungen pro Minute und 20 aufeinanderfolgenden Durchgängen desselben Strahls durch den Resonator gerechnet, woraus sich bei 10 µm eine Frequenzverschiebung von 2,5 GHz ergibt.A stroke in the spiral of π · 20 cm, a frequency of 60,000 revolutions per minute and 20 successive passes of the same beam through the resonator are expected, resulting in a frequency shift of 2.5 GHz at 10 µm.

Insoweit könnte diese bekannte Anordnung, je nach der Absorptionswellenlänge und dem verfügbaren Laser, die vom Experiment her gestellten Anforderungen erfüllen. Sie hat jedoch aus technischer Sicht erhebliche Nachteile. Bei einem Durchmesser des inneren Zylinders von 20 cm (Hub der Spirale von π · 20 cm) hat der spiralige Zylinder einen äußeren Durchmesser von 1 m und ein Gewicht von 1 bis 2 Tonnen. Das System ist somit sehr schwer und unhandlich und nur mit großem Aufwand einzusetzen. Der spiralige Reflektor kann nicht oder nur mit sehr hohen Kosten in der erforderlichen Präzision hergestellt werden. In this respect, this known arrangement, depending on the absorption wavelength and the available laser, could meet the requirements set by the experiment. From a technical point of view, however, it has considerable disadvantages. With a diameter of the inner cylinder of 20 cm (stroke of the spiral of π · 20 cm), the spiral cylinder has an outer diameter of 1 m and a weight of 1 to 2 tons. The system is therefore very difficult and unwieldy and can only be used with great effort. The spiral reflector cannot be manufactured or can only be manufactured with the required precision at very high cost.

Außerdem wurde bereits nachgewiesen und experimentell untersucht, daß ein Dopplereffekt auftrifft, wenn man statt eines Spiegels ein Stufengitter entlang seiner Oberfläche bewegt (J. Bahrmann, K.R. Detring, G. Simonsohn, "Optics Communications" 22, 3 [1977], S. 365-368). Jedoch hat ein Gitter vergleichsweise große Reflexionsverluste, so daß nur eine kleine Anzahl Reflexionen und damit ein relativ geringer Gesamteffekt erzielt werden kann.In addition, it has already been proven and experimentally investigated that a Doppler effect occurs when one instead of one A step grating moves along its surface (J. Bahrmann, K.R. Detring, G. Simonsohn, "Optics Communications" 22, 3 [1977], pp. 365-368). However, has a grid comparatively large reflection losses, so that only one small number of reflections and therefore a relatively low overall effect can be achieved.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Anordnung im Hinblick auf einen einfacheren, konstruktiven Aufbau zu verbessern.The invention is based on the object, a generic Arrangement for a simpler, more constructive Improve construction.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 oder 7 gelöst. Die weiteren Unteransprüche betreffen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. This object is achieved by the features of characterizing parts of claims 1 or 7 solved. The further subclaims relate to particularly advantageous ones Embodiments of the invention.

Zur Verschiebung der Frequenz kontinuierlicher Laser eignet sich vorzugsweise eine Ausführungsform der Erfindung bei der die bewegten Spiegel gemäß der BeziehungSuitable for shifting the frequency of continuous lasers preferably an embodiment of the invention in which the moving mirror according to the relationship

ϕ = -arccos (e/r) + + (r/e)-l, ϕ = -arccos (e / r) + + (r / e) -l,

gekrümmt sind. In dieser Gleichung ist
e = Drehradius,
r = Drehspiegelvektor (senkrecht ausgehend von der Drehachse (Z) bis zum Reflexionspunkt (A) auf dem jeweiligen Drehspiegel (3, 4)),
ϕ = Winkel zwischen dem Drehspiegelvektor ν und der Senkrechten durch die Drehachse (Z) und dem Schnittpunkt (B) der Drehspiegelfläche mit dem Kreis um die Drehachse (Z) mit dem Radius e.are curved. Is in this equation
e = turning radius,
r = rotating mirror vector (vertically starting from the rotating axis (Z) to the reflection point (A) on the respective rotating mirror ( 3, 4 )),
ϕ = angle between the rotating mirror vector ν and the perpendicular through the rotating axis (Z) and the intersection (B) of the rotating mirror surface with the circle around the rotating axis (Z) with the radius e .

Bei dieser Ausführungsform sind die ortsfesten Spiegel entweder auf dem Strahlweg, jedoch außerhalb des Teils des Strahlwegs angeordnet, welcher zwischen den Berührungspunkten der Tangenten an den Kreis mit dem Radius e liegt, oder sie befinden sich im Strahlweg auf der Tangente zwischen dem Reflexionspunkt auf dem bewegten Spiegel und dem Berührungspunkt der Tangente an den Kreis mit dem Radius e. Im letzten Fall können sie sowohl ebene Spiegel als auch sphärische Konkavspiegel sein. Die sphärischen Konkavspiegel weisen Krümmungsradien auf, die größer sind als der entlang dem Strahlweg gemessene Abstand der ortsfesten Spiegel von dem Mittelpunkt.In this embodiment, the fixed mirrors are either arranged on the beam path, but outside the part of the beam path which lies between the points of contact of the tangents to the circle with the radius e , or they are located in the beam path on the tangent between the reflection point on the moving one Mirror and the point of contact of the tangent to the circle with the radius e . In the latter case, they can be both flat mirrors and spherical concave mirrors. The spherical concave mirrors have radii of curvature which are greater than the distance of the fixed mirrors from the center measured along the beam path.

In allen Fällen können Spiegel verwendet werden, die parallel und senkrecht zur Rotationsebene unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen, wobei in der Drehachse und senkrecht hierzu die Stabilitätsbedingung für optische Resonatoren entsprechend der Resonatortheorie zu erfüllen ist (s. hierzu "Laser", Kleen/ Müller, 1969, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, S. 49-86).In all cases, mirrors can be used that different parallel and perpendicular to the plane of rotation Radii of curvature have, the in the axis of rotation and perpendicular thereto Stability condition for optical resonators according to the Resonator theory has to be fulfilled (see "Laser", Kleen / Müller, 1969, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Pp. 49-86).

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung können statt des einen Paares bewegter Spiegel zwei, drei oder allgemein n Spiegelpaare verwendet werden, die dann symmetrisch um eine gemeinsame Drehachse angeordnet sind. Die jeweils benachbarten Spiegelpaare sind um einen Winkel von 180°/n gegeneinander versetzt, so daß der Strahl bei der Drehbewegung von einem Spiegelpaar auf das nächste überwechseln kann.According to a special embodiment of the arrangement according to the invention, two, three or generally n pairs of mirrors can be used instead of the one pair of moving mirrors, which are then arranged symmetrically about a common axis of rotation. The adjacent mirror pairs are offset from one another by an angle of 180 ° / n , so that the beam can change from one mirror pair to the next during the rotational movement.

Bei einer Anordnung mit einem oder mehreren, gemäß der oben angegebenen Gleichung gekrümmten bewegten Spiegelpaaren, bei der die ortsfesten Spiegel im Strahlweg auf der Tangente zwischen dem Reflexionspunkt auf dem bewegten Spiegel und dem Berührungspunkt der Tangente an den Kreis mit dem Radius e angeordnet sind, können umgekehrt die nach der bisherigen Anordnung ortsfesten Spiegel beweglich rotierend um eine Achse und die bewegten Spiegel ortsfest ausgebildet werden. Auf der Drehachse ist in diesem Fall ein weiterer drehbarer Spiegel vorgesehen, über den der Strahl auf an sich bekannte Weise entlang der Drehachse in das System eingeführt werden kann. Dies bedeutet, daß nur zwei kleinere Spiegel auf einem kleineren Kreis rotierend bewegt zu werden brauchen.In an arrangement with one or more pairs of moving mirrors curved in accordance with the above equation, in which the fixed mirrors in the beam path are arranged on the tangent between the reflection point on the moving mirror and the point of contact of the tangent to the circle with the radius e conversely, the mirrors which are stationary according to the previous arrangement are designed to be movable and rotate about an axis and the moving mirrors are stationary. In this case, a further rotatable mirror is provided on the axis of rotation, via which the beam can be introduced into the system along the axis of rotation in a manner known per se. This means that only two smaller mirrors need to be rotated on a smaller circle.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der Schilderung weiterer Details sowie aus den beigefügten Abbildungen hervor.Further features, advantages and possible uses of the invention go from the description of further details as well as from the attached pictures.

Es zeigt in schematischer VereinfachungIt shows a schematic simplification

Fig. 1 die erfindungsgemäße Anordnung mit einem bewegten ebenen und einem ortsfesten ebenen Spiegelpaar, vorzugsweise zur Frequenzverschiebung der Emission gepulster Laser; . Figure 1 shows the inventive arrangement with a moving plane and a fixed planar mirror pair, preferably pulsed to the frequency shift of the laser emission;

Fig. 2 die Ausführungsform mit mehreren gemäß Beziehung 1 gekrümmten Spiegelpaaren, die sich vorzugsweise zur Frequenzverschiebung der Emission kontinuierlicher Laser eignet; Fig. 2 shows the embodiment in accordance with multiple relationship 1 curved mirror pairs, which preferably is suitable for the frequency shift of the emission continuous laser;

Fig. 3 ein Prinzipbild zur Darstellung des Reflexionsverhaltens und des Strahlwegs bei Verwendung von Spiegeln, die gemäß Beziehung 1 gekrümmt sind. Fig. 3 is a schematic diagram showing the reflection behavior and the beam path when using mirrors that are curved according to relationship 1.

Gemäß Fig. 1 wird der Laserstrahl über zwei bewegte symmetrisch auf einem Drehtisch 5 befestigte Spiegel 3 und 4 zwischen zwei festen Spiegeln 1 und 2 hin- und herreflektiert, wobei die Ein- und Auskopplung über die Ober- bzw. Unterkante des Spiegels 1 hinweg erfolgen kann. Falls die beiden festen Spiegel etwas voneinander weg geneigt sind, läuft der Laserstrahl nach einigen Hin- und Hergängen wieder aus dem Resonator heraus. Daher kann die Ein- und Auskopplung z. B. nur an der Oberkante von Spiegel 1 erfolgen. Referring to FIG. 1, the laser beam is moved over two symmetrically on a turntable 5 departures fixed mirror 3 and 4 fixed between two mirrors 1 and 2, reflected back and forth, wherein the coupling in and out over the top or bottom edge of the mirror 1 be carried away can. If the two fixed mirrors are inclined slightly away from each other, the laser beam runs out of the resonator after a few back and forth movements. Therefore, the coupling and decoupling z. B. only at the top of mirror 1 .

Dabei kommt es nicht auf die genaue Position der umlaufenden Spiegel an. Nach einer kleinen Drehung im Sinne des eingezeichneten Pfeils ist der Auftreffpunkt des vom Spiegel 1 herkommenden Strahls auf dem Spiegel 3 etwas nach links versetzt und der Strahl wird dann stärker nach unten abgelenkt. Dadurch erfolgt die nächste Reflexion auf der linken Seite des Spiegels 4. Hier wird die Änderung des Reflexionswinkels kompensiert. Lediglich bewirkt die Drehung der beiden Spiegel 3 und 4 eine Parallelversetzung des Strahls auf der Seite des Spiegels 2. Durch den Spiegel 2 wird der Strahl in sich reflektiert. Der Strahlengang kehrt sich um, so daß auf der Seite des Spiegels 1 weder eine Parallelversetzung noch eine Richtungsänderung zu beobachten ist.The exact position of the rotating mirrors is not important. After a small rotation in the sense of the drawn arrow, the point of incidence of the beam coming from the mirror 1 on the mirror 3 is offset somewhat to the left and the beam is then deflected more strongly downward. This results in the next reflection on the left side of the mirror 4 . The change in the angle of reflection is compensated for here. Merely the rotation of the two mirrors 3 and 4 brings about a parallel displacement of the beam on the side of the mirror 2 . The beam is reflected in itself by the mirror 2 . The beam path is reversed so that neither a parallel displacement nor a change in direction can be observed on the side of the mirror 1 .

Diese Anordnung ist sehr einfach aufgebaut und benötigt nur kleine ebene Spiegel. Solche Spiegel können mit äußerster Genauigkeit hergestellt und hochreflektierend verspiegelt werden. Bei 0,5% Verlusten pro Reflexion liegt die Gesamttransmission noch gut über 50%, wenn man mit N = 20 doppelten Durchgängen durch das System rechnet.This arrangement is very simple and only requires small, flat mirrors. Such mirrors can be manufactured with extreme accuracy and mirrored with high reflectivity. With 0.5% losses per reflection, the total transmission is still well over 50% if one expects N = 20 double passes through the system.

Der Doppler-Effekt ergibt sich ausThe Doppler effect results from

wobei Δν die Frequenzverschiebung, ν die Frequenz des Laserstrahls, v die Drehgeschwindigkeit, c die Lichtgeschwindigkeit, ω den Drehwinkel, N die Anzahl doppelter Durchgänge durch die Anordnung, d den Abstand zwischen den Ebenen, in denen die bewegten Spiegel liegen, und α den Winkel bedeuten, den der Strahlweg mit der Ebene eines bewegten Spiegels einschließt.where Δν is the frequency shift, ν the frequency of the laser beam, v the speed of rotation, c the speed of light, ω the angle of rotation, N the number of double passes through the arrangement, d the distance between the planes in which the moving mirrors lie, and α the angle mean that the beam path includes with the plane of a moving mirror.

Bei 1000 Umdrehungen pro Sekunde und mit ω = 2π · 1000, einem Abstand der Spiegel von 20 cm entsprechend d = 10 · cm und α = 45°, ist die Frequenzverschiebung (λ = 10 µm) gleich Δν = 5,0 GHz. Nimmt man Verluste von 70% in Kauf (40 Hin- und Hergänge im Resonator), so kann eine Frequenzverschiebung von 10 GHz erreicht werden.At 1000 revolutions per second and with ω = 2 π · 1000, a distance of the mirrors of 20 cm corresponding to d = 10 · cm and α = 45 °, the frequency shift ( λ = 10 µm) is equal to Δν = 5.0 GHz. If you accept losses of 70% (40 round trips in the resonator), a frequency shift of 10 GHz can be achieved.

Die beschriebene erfindungsgemäße Anordnung kann als Fabry-Perot- Resonator mit geknicktem Strahlgang angesehen werden. Ein solcher Resonator mit planparallelen Spiegeln liegt am Rande des Stabilitätsbereichs optischer Resonatoren. Man erhält einen stabilen Resonator mit besonders kleinen Beugungsverlusten, wenn man den ebenen Spiegel 1 durch einen sphärischen Spiegel ersetzt, dessen Krümmungsradius um den Faktor A größer als der Abstand zum Spiegel 2 ist. Besonders günstig im Sinne geringer Bewegungsverluste ist ein Wert für den Faktor A, der zwischen 1,1 und 4 liegt.The arrangement according to the invention described can be regarded as a Fabry-Perot resonator with a bent beam path. Such a resonator with plane-parallel mirrors lies on the edge of the stability range of optical resonators. This gives a stable resonator with particularly small diffraction losses if the plane mirror 1 is replaced by a spherical mirror, whose radius of curvature is by a factor A is greater than the distance to the mirror. 2 A value for the factor A , which is between 1.1 and 4, is particularly favorable in the sense of low movement losses.

Mit der beschriebenen Anordnung kann auch ein Laserstrahl in der Frequenz verschoben werden, der von einem kontinuierlichen Laser erzeugt wird. Dabei ändert sich allerdings die Dopplerfrequenz gemäß der angegebenen Beziehung, und zwar proportional zum Consinus des Winkels α. Auch trifft infolge Änderung des Reflexionswinkels der von Spiegel 3 herkommende Laserstrahl nach einer bestimmten Drehung nicht mehr auf den Spiegel 4. Daher geht ein Teil der kontinuierlichen Leistung verloren, auch wenn man mehrere jeweils versetzt angeordnete bewegte Spiegelpaare verwendet.With the arrangement described, a laser beam can also be shifted in frequency, which is generated by a continuous laser. However, the Doppler frequency changes in accordance with the relationship given, namely in proportion to the consine of the angle α . Also, due to a change in the angle of reflection, the laser beam coming from mirror 3 no longer strikes mirror 4 after a certain rotation. Therefore, part of the continuous power is lost, even if you use several pairs of moving mirrors that are staggered.

Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß man für die bewegten Spiegel 3 und 4 eine Spiegelfläche konstruieren kann, bei der der Doppler-Effekt konstant bleibt, der Strahl jeweils durch das Symmetriezentrum Z der Anordnung läuft und somit kein Versatz auf dem Spiegel 4 auftritt und außerdem das Symmetriezentrum nach beiden Seiten unabhängig von dem Drehwinkel ohne Richtungsänderung jeweils auf einen festen Punkt abgebildet wird. Aus technischen Gründen, um die Spiegel 3 und 4 klein halten zu können, empfiehlt es sich dabei, wenigstens zwei, vorzugsweise drei Spiegelpaare versetzt auf dem Drehtisch anzuordnen, so daß die Spiegelpaare nacheinander in Aktion treten. Diese Anordnung ist in Fig. 2 dargestellt.It has now surprisingly been found that a mirror surface can be constructed for the moving mirrors 3 and 4 , in which the Doppler effect remains constant, the beam passes through the center of symmetry Z of the arrangement and thus no offset occurs on the mirror 4 and in addition, the center of symmetry is mapped to a fixed point on both sides regardless of the angle of rotation without changing direction. For technical reasons, in order to be able to keep mirrors 3 and 4 small, it is advisable to arrange at least two, preferably three mirror pairs offset on the turntable, so that the mirror pairs come into action one after the other. This arrangement is shown in Fig. 2.

Die Gleichung der Spiegelkurve wird durch Aufstellen und Lösen einer Differentialgleichung in Polar-Koordinaten zuThe equation of the mirror curve is obtained by setting up and solving a differential equation in polar coordinates

bestimmt. Hierzu wird auf Fig. 3 Bezug genommen.certainly. For this purpose, reference is made to FIG. 3.

Bezeichnet man den Drehwinkel bei Bewegung des Kurvenscheitels von T nach B mit Δ = β + d, so ergibt sich daraus If one designates the angle of rotation when the apex of the curve moves from T to B with Δ = β + d , the result is

Δ · e = a + r - e. (3) Δ * e = a + r - e. (3)

Das heißt, daß das Bogenstück von T nach B gleich dem Tangentenstück a plus dem Sekantenabschnitt r-e ist: Der Weg des Lichtstrahls außerhalb des Kreises ist gleich dem zugehörigen Bogenstück und nimmt somit linear mit dem Drehwinkel (konstanter Doppler-Effekt) zu.This means that the arc from T to B is equal to the tangent a plus the secant section re : The path of the light beam outside the circle is equal to the associated arc and therefore increases linearly with the angle of rotation (constant Doppler effect).

Bezeichnet man den Krümmungsradius auf der Spiegelkurve mit R, so ist für die Abbildung des Mittelpunktes Z in Richtung auf den Spiegel 1 nicht die Brennweite R/2, sondern wegen der schrägen Reflexion die Brennweite f = R (cosδ )/2 maßgebend. Man erhältIf one designates the radius of curvature on the mirror curve with R , then the focal length R / 2 is not decisive for the imaging of the center point Z in the direction of the mirror 1 , but because of the oblique reflection the focal length f = R ( cos δ ) / 2. You get

Für die Bildweite b folgt mit (1/b) + (1/r) = (1/f), daß b = a ist. Der Mittelpunkt Z wird somit, unabhängig von der Lage der Spiegelkurve 3, immer in den Tangentenberührungspunkt T abgebildet. Man erhält einen doppelt-konzentrischen Resonator, wenn man in T₁ und T₂ Planspiegel 1 und 2 einfügt. Der Resonator wird im Sinne der Resonatortheorie unter Berücksichtigung der Zylindersymmetrie stabil, wenn man die Planspiegel etwas in Richtung auf A₁ bzw. A₂ verschiebt oder zwei sphärische Konkavspiegel 1 und 2 verwendet, deren Krümmungsradius größer als der entlang dem Strahlweg gemessene Abstand zum Mittelpunkt Z ist. For the image width b it follows with (1 / b) + (1 / r) = (1 / f) that b = a . The center point Z is thus always mapped into the tangent contact point T , regardless of the position of the mirror curve 3 . A double-concentric resonator is obtained if one inserts plane mirrors 1 and 2 into T ₁ and T ₂. The resonator becomes stable in the sense of resonator theory, taking into account the cylindrical symmetry, if one moves the plane mirror somewhat in the direction of A ₁ or A ₂ or uses two spherical concave mirrors 1 and 2 , whose radius of curvature is greater than the distance to the center Z measured along the beam path is.

Bei einem System wie in Fig. 2 kann der Laserstrahl streifend über den Spiegel 1 hinweg in den Resonator eingekoppelt werden, wenn das System auf einer Seite offen ist. Anderenfalls muß der Strahl entlang der Achse eingebracht und auf bekannte Weise über zwei Umlenkspiegel eingekoppelt werden.In a system as in FIG. 2, the laser beam can be coupled into the resonator by sliding across the mirror 1 if the system is open on one side. Otherwise, the beam must be introduced along the axis and coupled in in a known manner via two deflecting mirrors.

In diesem Fall ergibt sich auch die Möglichkeit, das System der Spiegel 3 bis 8 festzuhalten und die beiden Planspiegel 1 und 2 gemeinsam um die Achse Z rotieren zu lassen.In this case, there is also the possibility of holding the system of mirrors 3 to 8 in place and rotating the two plane mirrors 1 and 2 together about the Z axis.

In diesem Fall erhält man bei Verwendung der Spiegel mit dem angegebenen Profil die Doppler-Verschiebung bei N doppelten Durchgängen mit je vier Reflexionen an bewegten Spiegeln zuIn this case, when using the mirrors with the specified profile, the Doppler shift is obtained with N double passes with four reflections each on moving mirrors

Δν = 4ω Ne/g. Δν = 4 ω Ne / g .

Setzt man wegen der schwierigen Herstellung der Profilspiegel und entsprechend höheren Verlusten nur N = 10 doppelte Durchgänge an, so beträgt mit e = 10 cm und l = 2π. 1000 (1000 Hz) die Doppler-Verschiebung Δν = 2,5 GHz.If only N = 10 double passes are used due to the difficult manufacture of the profile mirror and correspondingly higher losses, then with e = 10 cm and l = 2 π . 1000 (1000 Hz) the Doppler shift Δν = 2.5 GHz.

Claims

1. Arrangement for shifting the frequency of a monochromatic light beam, which has a first base mirror serving as an in / out coupling mirror and a second, fully reflecting base mirror, between which multiple reflection of the light beam takes place and which, according to the principle of the Doppler effect, is reflected by at least one moving mirror an axis of rotation rotating mirror works, the optical path length between the two base mirrors changing from a first predetermined length to a second predetermined length with the angle of rotation and the decoupled light beam is thus frequency-shifted, characterized in that both base mirrors ( 1, 2 ) for Fulfillment of the resonator condition spherically curved and arranged in a stationary manner and laterally offset parallel to one another with respect to their lines of symmetry, that between the two base mirrors ( 1, 2 ) two rotating mirrors ( 3, 4 ) around a common one, on the center line, between the b Rotate both axes of symmetry perpendicular to the axis of rotation (Z) with a turning radius (e) , which is given by the distance of the center line from the lines of symmetry, and reflect the light beam between itself and the two base mirrors ( 1, 2 ) and thereby generate the desired constant frequency shift , for which purpose the two rotating mirrors ( 3, 4 ) are curved in order to change the optical path length between the two basic mirrors ( 1, 2 ) linearly with time and to alternate the same position between the two basic mirrors ( 1, 2 ) and the curvature of the two rotating mirrors ( 3, 4 ) is selected such that the light beam reflected from one rotating mirror ( 3, 4 ) to the other rotating mirror ( 4, 3 ) always runs through the axis of rotation (Z) , so that the change in direction of the light beam on the first rotating mirror ( 3, 4 ) is always just compensated by the second rotating mirror ( 4, 3 ), the curvature of the two rotations mirror ( 3, 4 ) is given by: where e denotes the turning radius, r the linear distance of the reflection point (A) on the respective rotating mirror ( 3, 4 ) from the axis of rotation (Z) and ϕ the angle of rotation distance of the reflection point (A) from the intersection (B) of the rotating mirror surface with the circle about the axis of rotation (Z) with the radius e .

2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the sum of the radii of curvature of the two base mirrors ( 1, 2 ) is equal to or greater than the longest optical path length measured between the two base mirrors during the rotation of the rotating mirrors ( 3, 4 ) along the light beam ( 1, 2 ) to meet the resonator condition.

3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the fully reflecting base mirror ( 2 ) is designed as a flat mirror and the radius of curvature of the coupling / decoupling mirror ( 1 ) is equal to or greater than that during the rotation of the rotating mirror ( 3, 4 ) along longest optical path length measured between the two base mirrors ( 1, 2 ).

4. Arrangement according to claim 2 or 3, characterized in that the two base mirrors ( 1, 2 ) perpendicular and at the same time parallel to the axis of rotation (Z) are spherically curved such that between the two base mirrors ( 1, 2 ) the stability conditions of an optical resonator according to the resonator theory perpendicular and parallel to the axis of rotation (Z) are fulfilled.

5. Arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that instead of a single pair of rotating mirrors ( 3, 4 ) a plurality of pairs of rotating mirrors ( 3, 4; 5, 6; 7, 8 ) are provided which about the common axis of rotation ( Z) rotate and are arranged offset by equal angular distances from one another.

6. Arrangement according to one of claims 1 to 5, characterized in that, in reverse of the arrangement according to these claims, the stationary base mirror ( 1, 2 ) rotate about the axis of rotation (Z) and the rotating rotating mirror ( 3, 4; 5, 6; 7, 8 ) are stationary, the coupling of the light beam takes place via a mirror mounted on the axis of rotation (Z) which also rotates synchronously with the two base mirrors ( 1, 2 ).

7. Arrangement for shifting the frequency of a monochromatic light beam, which has a first, serving as an in / out mirror and a second, fully reflecting base mirror, between which multiple reflection of the light beam takes place and which is based on the principle of the Doppler effect by reflection on at least one moving, a mirror rotating about an axis of rotation works, the optical path length between the two base mirrors changing from a first predetermined length to a second predetermined length with the angle of rotation and the decoupled light beam is thus frequency-shifted, characterized in that the second base mirror ( 2 ) is flat and the first base mirror ( 1 ) is spherically concavely curved or flat to meet the resonator condition and both base mirrors ( 1, 2 ) are arranged in a stationary manner that between the two base mirrors ( 1, 2 ) two parallel to each other, flat and on one Rotating plane of vertically standing, moving mirrors ( 3 , 4 ) rotate about a common axis of rotation (Z) and reflect the light beam between them and the two basic mirrors ( 1, 2 ), causing a parallel displacement of the beam path and thereby rotating the optical path length between the Change the two base mirrors ( 1, 2 ) and thus generate the desired frequency shift intermittently, the change in direction of the light beam due to the reflection on one moving mirror ( 3 ) being compensated for by reflection on the other moving mirror ( 4 ) and the beam in Projection onto the rotating plane hits the second stationary base mirror ( 2 ) perpendicularly and is reflected back in itself regardless of where it hits.

8. Arrangement according to claim 7, characterized in that the radius of curvature of the first base mirror ( 1 ) is equal to or greater than the optical path length between the two base mirrors ( 1, 2 ) measured along the light beam during the rotation of the rotating mirror ( 3, 4 ) and thus fulfills the stability condition for optical resonators according to the resonator theory.